Physique-Chimie Sirius Term S - Physique-Chimie Lycée Collection ...

Ce dossier contient :
- un document sur le principe de la localisation par GNSS (Global
Navigation Satellite System) ;
- un document sur les applications prévues du GNSS européen Galiléo. ( L'objectif de cet exercice est de rédiger une synthèse de documents afin
de présenter le principe de la localisation par satellites en faisant
clairement apparaître le rôle des horloges embarquées dans les satellites. Le texte rédigé (de 25 à 30 lignes) devra être clair et structuré, et
reposera sur les différentes informations issues des documents proposés.
DOCUMENT 1. Présentation du GPS Ses origines
C'est avec le lancement du Spoutnik en 1957 que l'idée du GPS (Global
Positioning System) est née. En effet, dans la mesure où l'on était capable
de localiser le satellite grâce aux « bip-bip » qu'il émettait, il devenait
envisageable de faire l'inverse... À cette fin, l'US Navy développe le
système Transit, opérationnel au cours des années 1960. Malheureusement, la
méthode et la technologie employées ne permettaient la localisation
qu'après une longue attente, parfois près de 90 minutes ! Avant même que le
premier satellite de ce système ne soit lancé en 1964, le département
américain de la défense se met à la recherche du remplaçant de Transit.
C'est ainsi que le GPS naît : le premier satellite est mis en orbite en
1978 et c'est en 1984 que le président Ronald Reagan (1911-2004) annonce
que les civils pourront également bénéficier, en partie seulement, des
possibilités qu'offre ce système. Un principe de base élémentaire
Le principe de la localisation GPS est très simple, c'est celui de la
triangulation. L'exemple suivant permet de le comprendre. Supposons que
nous soyons perdus quelque part en France. Si nous passons devant un
panneau indiquant que Paris est à 150 km sans en donner la direction, nous
saurons que nous sommes situés quelque part sur un cercle centré sur Paris
et de rayon 150 km. Si par ailleurs un autre panneau nous indique que nous
sommes à 230 km d'Orléans, nous saurons que nous sommes également situés
quelque part sur un cercle centré sur Orléans et de rayon 230 km. Il suffit
donc de dessiner ces deux cercles et de voir où ils se coupent.
Généralement, ils se couperont en deux points (Dieppe et Sainte-Menehould
dans notre exemple) et nous aurons donc besoin d'une troisième indication
afin d'éliminer l'un des deux points, sauf si nous avons de bonnes raisons
pour en éliminer un sans indication supplémentaire. Dans notre exemple, si
nous savons que nous ne sommes pas au bord de la mer, nous pourrons
éliminer Dieppe et conclure que nous sommes à Sainte-Menehould. Nous pourrions ainsi nous localiser avec précision si tous les panneaux en
France étaient des triptyques indiquant notre distance par rapport à trois
villes et toujours les mêmes, par exemple Paris, Orléans, et Lyon. C'est
précisément cette idée qui est en jeu dans le GPS. Une vingtaine de
satellites à 20 000 km d'altitude jouent le rôle des trois villes de
l'exemple précédent. Pourquoi tant de satellites ? Car il faut qu'au moins
4 satellites soient toujours « visibles » depuis n'importe quel point du
globe. Pourquoi si haut en altitude ? Car s'agissant d'un système
militaire, il fallait tenir les satellites en dehors de toute atteinte
terrestre possible (missiles, etc.)...
En trois dimensions, ce ne sont plus des cercles qu'il faut dessiner mais
des surfaces sphériques. Or, l'intersection de deux sphères creuses donne
un cercle. La donnée d'une troisième information fixe une nouvelle sphère
qui coupe le cercle en deux points. Comme précédemment, nous aurons besoin
d'une information supplémentaire, une quatrième ici, pour déterminer notre
position. Dans la pratique, le positionnement se fait par rapport à trois
satellites seulement, car généralement il y a de bonnes raisons pour
éliminer l'un des deux points : la quatrième information permet alors de
déterminer l'altitude du point où l'on se trouve. [pic] Fonctionnement du GNSS
Une difficulté majeure : connaître la distance
Dans l'exemple des villes, la simplicité de la méthode permettant la
localisation venait de l'existence de panneaux indiquant les distances,
mais aussi du fait que la position des villes sur Terre est fixe et bien
connue. Est-ce aussi simple en GPS ? En admettant que la position des
satellites repères dans le ciel soit bien connue, comment depuis la Terre
puis-je connaître ma distance par rapport à un satellite ? Comment puis-je
obtenir l'information équivalente à celle donnée par les panneaux ? Cela
est simple : depuis le point où je me trouve, il suffit que j'émette un
signal électromagnétique vers un satellite et que j'attende son retour
après réflexion ; connaissant la vitesse de propagation du signal (300 000
km(s-1) je pourrais déterminer ma distance. Si par exemple, l'aller-retour
dure 0,2 seconde, je saurai que je me trouve à 30 000 km du satellite. Il
suffira donc que je répète cette opération avec trois ou quatre satellites
repères différents pour me localiser précisément. Cette méthode, simple et facile à comprendre, pose cependant un gros
problème : en situation de guerre, l'émission du signal par une personne
permettrait à l'ennemi de la repérer ! Si le signal ne part pas du sol, il
doit provenir du satellite. Dans ce cas, comment connaître ma distance à un
satellite grâce à un signal émis par le satellite ? Cela est simple : il
faut que le satellite émette un « bip » et envoie au même instant un signal
indiquant l'heure de l'émission de manière très précise ; à la réception,
il suffira de comparer l'heure de réception à celle d'émission pour
connaître le délai et donc la distance. Pour atteindre cet objectif, nous
avons donc besoin d'horloges parfaitement synchronisées qui garantissent
une précision atomique. De telles horloges atomiques embarquées à bord des
satellites ne peuvent évidemment pas être intégrés aux récepteurs GPS,
lesquels possèdent des horloges à quartz. Aussi, pour synchroniser un
récepteur avec les satellites on utilise une belle astuce. Une belle astuce
Nous avons vu que trois sphères se coupent en deux points A et B. Si le
récepteur est synchrone avec les satellites, le signal provenant du
quatrième satellite déterminera une quatrième sphère qui passera par l'un
des deux points : A ou B. Que se passe-t-il si l'horloge du récepteur n'est
pas synchrone avec celles des satellites ? Dans ce cas, à cause du décalage
des horloges, le temps de voyage des signaux sera mal estimé : il sera par
exemple trop long de (t. Par conséquent, les trois sphères déterminées par
le récepteur seront trop grandes de (x, mais se couperont quand même en
deux points C et D, différents de A et B. La quatrième sphère, elle aussi
trop grande de (x, ne passera ni par C, ni par D ! Ainsi, l'information
provenant du quatrième satellite permet en fait au récepteur de « se rendre
compte » que son horloge n'est pas synchrone : il apporte donc à son
horloge les corrections nécessaires jusqu'à ce que les quatre sphères se
coupent en un point ; il se synchronise ainsi avec les satellites. Le tour
est joué et cela permet de se localiser avec une extrême précision !
Extrait du dossier « de la relativité au GPS », de Kamel Fadel, pour
Science.gouv.fr
http://www.science.gouv.fr/fr/dossiers/bdd/res/2749/t/7/de-la-relativite-au-
gps/ DOCUMENT 2. Le projet européen Galileo
Quelles applications pour Galileo?
La plupart des gens connaissent la localisation par satellite pour son
utilité en voiture ; pourtant il y a plus. Beaucoup plus.
La caractéristique principale de la localisation par satellite est sa
précision pour mesurer le temps. Les horloges atomiques embarquées sur le
satellite permettent en effet une précision temporelle presque parfaite,
avec une perte théorique équivalente à quelques milliardièmes de seconde
sur vingt-quatre heures.
Cette précision dans la mesure du temps joue déjà un rôle fondamental, mais
ce rôle est souvent négligé dans les domaines tels que la distribution
d'électricité, le bon fonctionnement des e-mail et d'internet, de même que
dans la sécurité de transactions financières.
Les horloges améliorées de Galileo, dotées d'une précision dix fois
supérieure à celle des horloges atomiques actuelles, rendent plus important
encore ce rôle.
La meilleur pénétration, précision et garantie de service qu'offre ces
horloges devrait ainsi donner à de plus en plus d'entrepreneurs envie de
construire des projets autour de la localisation par satellite.
Avec la capacité de la localisation par satellite à être de plus en plus
incorporée dans les appareils mobiles, il est plus que probable d'assister
à une explosion de nouvelles applications, et bon nombre d'entre elles
donneront sans doute à la localisation par satellite des utilisations
innovantes autant qu'inattendues.
Cependant, le secteur des transports sera certainement l'un des grands
bénéficiaires. L'industrie y gagnera de façon notable en efficacité, par le
biais d'une meilleure gestion des chaînes d'approvisionnement et des
flottes de transport.
Galileo permettra en outre de fournir des outils dont les gouvernements ont
besoin pour introduire des tarifications à grande échelle dans le domaine
des transports.
Galileo permettra également de créer un nouveau système de contrôle du
trafic aérien en Europe. L'initiative de ce ciel uniqu